基于虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台研究 姓 名：王 岩 导 师：王宗敏（教授）

虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台开发 主要内容 研究背景和意义 土石坝原型及装配 土石坝设计流程研究 虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台开发 总结

研究背景和意义

1.土石坝是国内外应用最多的坝型 土石坝对自然条件有广泛的适应性，它对地基的要求比混凝土坝低，适应变形能力强;土石坝可以就地取材，可以充分利用枢纽建筑物基础开挖料筑坝。典型工程小浪底水利枢纽、甘肃碧口水电站及四川东西关水电站等。 2.针对于土石坝设计开发的CAD系统非常少 由于土石坝基础资料多、设计内容繁多，除包括常规的枢纽布置与坝型选择、坝体结构设计、坝基处理、坝体与坝基、岸坡与其他建筑物的连接、坝的计算与分析外，还包括分期施工方案设计与大坝安全监测设计，所以，要求土石坝系统的开发要做到贯穿工程设计的全过程、功能全面、专业性强。因此针对土石坝设计开发的CAD系统非常少。

3.传统水利教学方式具有很大的限制性 传统的教学以教为主，学生始终处于被动的学习环境中，对于水利工程学科，由于条件限制，学生不能到达工程现场，很难对土石坝形成直观的感觉和印象；引入虚拟现实技术到教学中，逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能，使学生不仅可以对土石坝有直观的印象，还可以进一步了解其组成部分和组成过程。 4.将虚拟仿真技术应用于水利方面教学很少 由于虚拟现实技术的特点，它的实际应用在理工科的教学中比较广泛。尤其在建筑、机械、物理、化学等学科有着质的突破。相对于这些学科，应用于水利学科的虚拟仿真平台至今没有。

土石坝原型及装配

土石坝的参数化 土石坝原型建模 土石坝原型的虚拟装配

1.土石坝的参数化 实现土石坝参数化首先要提取出可以描述坝体特征的各项参数，这些参数包括结构图形参数和规则参数。结构图形参数包括关键点的坐标，线段的长度和等控制点和控制尺寸;规则参数可以是一种关系的描叙，也可以是一个计算公式，甚至是一个复杂的方程组。（下表为均质坝的部分坝体参数）

坝 顶 防 浪 墙 坡 马 道 护 面 排 水 反 滤 层 名称 参数 包含参数 H 安全加高 A FLQ 材料FLQM 设计波高 h 伸缩缝长度FLQ_SSCD 上游坝坡坡率 m 宽度FLQ_KD 上游护坡糙率 n 高度FLQ_GD 正常蓄水位 NH 设计水位 DH 校核水位 JH 坡 BP 上游坝坡比例 BP_SBL 马 道 MD 马道宽度MD_KD 下游坝坡比例 BP_XBL 马道高程MD_H 护 PH 坡护材质 PH_CZ 面 排 水 BMPS 下游坝面排水沟宽度BMPS_XKD 坡护类型 PH_LX 纵向排水沟断面宽度BPMS_ZKD 反 滤 层 FLC 上游坡护厚度 PH_SHD 纵向排水沟断面深度BPMS_ZSD 下游坡护厚度 PH_XHD 横向排水沟间隔距离BPMS_HJD

2.土石坝原型建模 土石坝工程虚拟环境是真实工程环境在计算机中的数字化表示，为便于视算一体化操作，虚拟环境中的模型要求全部是真三维模型，主要包括地形、地质构造、地理景观的地学虚拟环境。 目前拟采用的建模方法： 1）利用CATIA、UG等三维设计软件创建各个部件的三维模型。 2）利用3D Studio MAX8.0软件对所有的三维模型进行渲染和编辑。 3）利用VrmlPad软件编辑模型在虚拟现实中的位置和关系。

3.土石坝原型的虚拟装配 为了更好使用户了解土石坝的构造，对各个部件形成深刻的理解，需要对土石坝各个部件进行装配，根据土石坝设计的原则和流程以坝轴线为装配约束方式，进行装配，最终实现脱离CATIA软件实现单独的装配。 目前使用Visual C++ 6.0作为开发平台的工具，结合一些开源软件，已实现对CATIA软件建模形成的Wrl格式的读入，以及对模型的简单操作，如放大，缩小，移动。

土石坝设计流程研究

土石坝设计流程图 NO

虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台开发

系统框架图

虚拟教学模块 1） 土石坝课程教学。本部分将结合《水工建筑物》、《碾压式土石坝设计规范 SL274-2001》以及土石坝的教学大纲内容进行设计，使其能够满足教学的要求，部分章节将结合相应的土石坝模型进行设计教学内容，如《水工建筑物》土石坝一章的第八节中“土石坝的构造”中防渗体一部分中，将结合三种不同类型防渗体的模型进行讲解，包括三维模型，二维草图等。 2）课堂练习及考试。本部分主要根据相应的课后习题以及考试重点内容进行设计。 3）土石坝实例展示。本部分将会提供多个土石坝实例，如典型工程小浪底水利枢纽、甘肃碧口水电站及四川东西关水电站等。

土石坝原型操作及装配模块 1）土石坝原型创建。将根据用户提供的参数进行土石坝原型的建模。 2）原型操作。本部分可供用户对相应原型进行移动、旋转、放大、缩小等操作，让用户能全方位的了解土石坝的各个部件。 3）原型参数展示。本部分将提供土石坝部件参数展示，通过二维草图向用户展示每个部件所有的参数。 4）原型的虚拟装配。本部分将提供土石坝各部件之间的虚拟装配，让用户了解各个部件的空间关系。

土石坝流程创建模块 1）布置坝轴线。将提供不同的坝址地形图，让用户区布置坝轴线。 2）计算坝高。提供相应的数据和公式选项，根据提示，让用户自己选择公式进行计算，最终得到坝高。 3）在最大控制断面图上进行坝体结构设计。提供最大控制断面图，让用户自己进行坝体结构的设计。 4）分析计算（渗流、稳定）。提供相应的数据和公式选项，根据提示，让用户自己选择公式进行计算，最终得到想要的结果。 5）原型创建。根据用户所选择的原型种类，以及输入的相应参数得到各个部件原型。 6）虚拟装配。用户可以将所选择的原型以及三维地质模型进行装配。

总结

本项目利用虚拟仿真技术对土石坝的设计流程的各个环节进行辅助设计与模拟仿真，建立土石坝三维原型，进行交互式参数装配，结合人机交互实现水利工程辅助设计，最终形成土石坝设计教学演示系统。由于虚拟仿真的真实性、可操作性、以及交互性等优点，使得学生可以在虚拟世界中认识土石坝，了解土石坝的设计流程，比起传统的教学模式具有无可比拟的优越性。

参考文献 [1] 撒文奇。基于三维设计方法的土石坝CAD/CAE集成设计平台研究与开发[D].2010.5 [2]董甲甲，杨磊等.基于CATIA的土石坝可视化设计[J].水利水电科技进展，2010.10. [3]程永明.数字拱坝可视化设计技术与应用研究[D].2006.5. [4] 焦爱萍.水利水电工程专业毕业设计指南[M].郑州:黄河水利出版社,2003. [5]D.KiritsisM.Porehet.GeneriePetrinetmodleofrdynamieProeessPlanni-ngandsequeneeoPtimization[J].AdvancedengineeringSortfware.1996,25. [6]D.JovanoskiH.Muthsma.WOkrPieeemodelingofrcomPuter-aidedProeessPlanning[J].AdvaneedManuafeturingTeehnology.1995,10,404-410. [7]John.GCheng,Xiu-yuShao,YubaoChen.Feature-basedPartModelingandProeessPlanningofrRpaidResPonsemanuafeturing[J].ComPuter&IndustriaEngineering.1998,4:257-279. [8] 鲁君尚,张安鹏,王书满,等.无师自通CATIAV5之装配设计与实时渲染[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007. [9] 薛亮.基于CATIA和ADAMS的轿车差速器参数化设计及仿真[D].2011.5. [10]李斌，宗志坚，郭莉莉等.基于CATIA V5R20的水利水电三维设计应用教程[M],黄河水利出版社，2011. [11]郑声安，王仁坤。基于CATIA V5的水利水电工程三维设计应用基础[M],中国水利水电出版社，2010 [12]黄志澎，薛利军，张燕等.基于CATIA平台的水电三维标准件模板库[J].水电站设计，2009.12 [13]顾岩.三维设计在水利水电行业中的应用探讨[D].2006.11 [14]薛亮.基于CATIA和ADAMS的轿车差速器参数化设计及仿真[D].2011.05.

参考文献 [15] 华东水利学院.水工设计手册第五卷:混凝土坝[M].北京:水利电力出版社,1987. [16]王迦.基于CATIA V5知识工程建立车身布置模板方法的研究[D].2006.05 [17]王进丰，李小帅，傅尤杰.CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用[J].人民长江，2007.2 [18]李原，彭培林，邵毅等.基于CATIA的标准件库设计与实现[J].计算机辅助设计与图形学报.2005.8 [19]甘忠，朱加赞，张磊.基于参数化设计的时效成形模架自动装配技术[J].兵器材料科学与工程.2001.5 [20] David J. Bak，CAD，CAM and CAE：Formula One’s Favored Team，DesignNews/5～22～95，ECOBO 9506220549 [21]李自胜，朱莹，向中凡.基于CATIA的二次开发技术[J].四川工业学院学报. [22]胡挺，吴立军.CATIA二次开发技术基础[M].电子工业出版社，2006.7. [22]张社荣，顾岩，张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水力发电学报，2008.6. [23]梁振刚，程学明.基于CATIA的飞机结构件参数化设计[J].现代设计技术，2012.2. [24]陈艳国，李斌，吴伟功.基于CATIA的古贤水利枢纽三维地质建模[J].人民黄河，2001.5 [25]曾柳杨.基于CATIA/CAA的虚拟装配约束关系分析与干涉检查研究[D].2005.3 [26]范丽丽.液压缸参数化设计及标准件库的二次开发[D].2008.4 [27]何朝良.基于CATIA/CAA平台的虚拟装配路径规划的研究[D].2005.3.

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